VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV MIKROELEKTRONIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF MICROELECTRONICS

ZAŘÍZENÍ PRO OVLÁDÁNÍ MIKROPOSUVU MICROPOSITION CONTROL DEVICE

DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER’S THESIS

AUTOR PRÁCE

Bc. ONDŘEJ KOKEŠ

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

BRNO 2010

Ing. JAROSLAV KADLEC, Ph.D.

Licenční smlouva poskytovaná k výkonu práva užít školní dílo uzavřená mezi smluvními stranami: 1. Pan/paní Jméno a příjmení:

Bc. Ondřej Kokeš

Bytem:

Hodonín, Tyršova 4, 695 01

Narozen/a (datum a místo):

20. 6. 1984, Hodonín

(dále jen „autor“) a 2. Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií se sídlem Údolní 244/53, 602 00 Brno jejímž jménem jedná na základě písemného pověření děkanem fakulty: Prof. Ing. Vladislav Musil, CSc. (dále jen „nabyvatel“)

Čl. 1 Specifikace školního díla 1. Předmětem této smlouvy je vysokoškolská kvalifikační práce (VŠKP): □ disertační práce
diplomová práce □ bakalářská práce □ jiná práce, jejíž druh je specifikován jako ....................................................... (dále jen VŠKP nebo dílo) Název VŠKP:

Zařízení pro ovládání mikroposuvu

Vedoucí/ školitel VŠKP:

Ing. Jaroslav Kadlec, Ph.D.

Ústav:

Ústav mikroelektroniky

Datum obhajoby VŠKP: VŠKP odevzdal autor nabyvateli v:
tištěné formě

–

počet exemplářů 2


elektronické formě –

počet exemplářů 2

2. Autor prohlašuje, že vytvořil samostatnou vlastní tvůrčí činností dílo shora popsané a specifikované. Autor dále prohlašuje, že při zpracovávání díla se sám nedostal do rozporu s autorským zákonem a předpisy souvisejícími a že je dílo dílem původním. 3. Dílo je chráněno jako dílo dle autorského zákona v platném znění. 4. Autor potvrzuje, že listinná a elektronická verze díla je identická.

Článek 2 Udělení licenčního oprávnění 1. Autor touto smlouvou poskytuje nabyvateli oprávnění (licenci) k výkonu práva uvedené dílo nevýdělečně užít, archivovat a zpřístupnit ke studijním, výukovým a výzkumným účelům včetně pořizovaní výpisů, opisů a rozmnoženin. 2. Licence je poskytována celosvětově, pro celou dobu trvání autorských a majetkových práv k dílu. 3. Autor souhlasí se zveřejněním díla v databázi přístupné v mezinárodní síti
ihned po uzavření této smlouvy □ 1 rok po uzavření této smlouvy □ 3 roky po uzavření této smlouvy □ 5 let po uzavření této smlouvy □ 10 let po uzavření této smlouvy (z důvodu utajení v něm obsažených informací) 4. Nevýdělečné zveřejňování díla nabyvatelem v souladu s ustanovením § 47b zákona č. 111/ 1998 Sb., v platném znění, nevyžaduje licenci a nabyvatel je k němu povinen a oprávněn ze zákona.

Článek 3 Závěrečná ustanovení 1. Smlouva je sepsána ve třech vyhotoveních s platností originálu, přičemž po jednom vyhotovení obdrží autor a nabyvatel, další vyhotovení je vloženo do VŠKP. 2. Vztahy mezi smluvními stranami vzniklé a neupravené touto smlouvou se řídí autorským zákonem, občanským zákoníkem, vysokoškolským zákonem, zákonem o archivnictví, v platném znění a popř. dalšími právními předpisy. 3. Licenční smlouva byla uzavřena na základě svobodné a pravé vůle smluvních stran, s plným porozuměním jejímu textu i důsledkům, nikoliv v tísni a za nápadně nevýhodných podmínek. 4. Licenční smlouva nabývá platnosti a účinnosti dnem jejího podpisu oběma smluvními stranami.

V Brně dne:

……………………………………….. Nabyvatel

………………………………………… Autor

Abstrakt: Předkládaná práce analyzuje funkci konkrétního typu mikroposuvu za účelem navrhnout a sestavit elektronické zařízení vhodné k ovládání pohybu jezdce mikroposuvu. V souladu s dokumentací je zde uveden popis řídících signálů a možností jejich generování s ohledem na výslednou přesnost pohybu jezdce. Hlavním zaměřením práce je popis elektronické jednotky od napájecího zdroje, přes řídící mikroprocesorovou část, až po koncový stupeň, na který se přímo připojuje mikroposuv. Součástí je i programové vybavení pro mikrokontrolér a počítač, popis komunikace, měření a kalibrace pohybu a návrh na uzavření regulační smyčky pro další zvýšení přesnosti pohybu.

Abstract: Presented thesis analyses a function of the particular type of the nanopositioner with aim to suggest and construct an electronic device suitable for control of the nanopositioner slider. In presented material there is a description of the control signals and possibility of their generating in the respect of slider movement accuracy. The main goal of the thesis is to describe electronic units ranging from power supply, control processor unit part to end part that directly joint nanopositioner. There is also programme equipment for microcontroller and computer, communication description, movement measuring and calibration and draft for the close-up of the control loop for additional increase of the movement accuracy.

Klíčová slova: Mikroposuv, mikrokontrolér, řídící impulz, piezoelektrický jev, piezoelement, spínaný zdroj, rotační koder.

Keywords: Nanopositioner, microcontroller, control impuls, piezoelectric effect, piezoelement, switching power supply, rotary encoder.

Bibliografická citace díla: KOKEŠ, O. Zařízení pro ovládání mikroposuvu - diplomová práce. Brno, 2010. 57 s. Vedoucí diplomové práce Ing. Jaroslav Kadlec, Ph.D. FEKT VUT v Brně

Prohlášení autora o původnosti díla: Prohlašuji, že jsem tuto vysokoškolskou kvalifikační práci vypracoval samostatně pod vedením vedoucího diplomové práce, s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury. Jako autor uvedené diplomové práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této diplomové práce jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení § 152 trestního zákona č. 140/1961 Sb. V Brně dne

………………………………….

Poděkování: Děkuji vedoucímu diplomové práce Ing. Jaroslavu Kadlecovi, Ph.D. za metodické a cíleně orientované vedení při zpracovávání diplomové práce.

OBSAH: ÚVOD ........................................................................................................................................ 8 1

POLOHOVACÍ ZAŘÍZENÍ............................................................................................ 8 1.1 1.2

2

MECHANICKÁ KONSTRUKCE POLOHOVACÍHO ZAŘÍZENÍ .......................... 9 POPIS OVLÁDACÍCH SIGNÁLŮ............................................................................. 9

KONSTRUKCE ZAŘÍZENÍ ......................................................................................... 11 2.1 ZPRACOVÁNÍ ÚKOLU ........................................................................................... 11 2.2 BLOKOVÉ SCHÉMA ............................................................................................... 12 2.3 POPIS JEDNOTLIVÝCH BLOKŮ........................................................................... 13 2.3.1 NAPÁJENÍ ......................................................................................................... 13 2.3.2 NÁVRH SPÍNANÉHO ZDROJE ...................................................................... 17 2.3.3 KOMUNIKACE, ŘÍZENÍ, OVLÁDÁNÍ........................................................... 20 2.3.4 PROPOJENÍ S POČÍTAČEM ............................................................................ 25 2.3.5 KONCOVÝ STUPEŇ ........................................................................................ 26 2.3.6 STEJNOSMĚRNÁ SLOŽKA VÝSTUPNÍHO NAPĚTÍ .................................. 32 2.4 MECHANICKÉ USPOŘÁDÁNÍ .............................................................................. 33

3

MĚŘICÍ A REGULAČNÍ OBVOD .............................................................................. 35 3.1 3.2

SNÍMAČ POLOHY ................................................................................................... 35 REGULAČNÍ SMYČKA .......................................................................................... 36

4

KALIBRACE .................................................................................................................. 36

5

HARDWARE PRO PROGRAMOVÁNÍ MIKROKONTROLÉRU ......................... 40

6

SOFTWARE PRO MIKROKONTROLÉR ................................................................ 40

7

POČÍTAČOVÁ APLIKACE ......................................................................................... 43

8

ZÁVĚR ............................................................................................................................ 44

9

SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ .............................................................................. 45

10

SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK ........................................................................... 47

11

SEZNAM PŘÍLOH ........................................................................................................ 48

7

Úvod Cílem diplomové práce je navrhnout a vyrobit zařízení, které bude schopno ovládat určitý typ mikroposuvu. Takové mikroposuvy je možné sehnat v provedení, jež dovoluje vystavovat jezdec s přesností pod jeden nanometr. Jeden nanometr je pro představu velikost asi deseti atomů vodíku [7]. Pohyb s takovou přesností je možný díky piezoelektrickým vlastnostem materiálu vyvolávajícího pohyb a výbornou mechanickou konstrukcí. Velká část výsledné přesnosti je ale určena přesností elektrického řídícího signálu. Zadání práce tedy plyne z parametrů pro ovládání konkrétního typu mikroposuvu. V této práci je popsán návrh a výroba ovládacího zařízení splňující následující požadavky: • • • •

nezávislé výstupy pro ovládání polohovacích systémů, možnost ovládání bez připojeného počítače, propojení s počítačem pomocí USB, napájecí napětí 230 V.

V závislosti na typu použitých polohovacích zařízení potřebujeme mít k dispozici pro jejich ovládání signál, který je schopný dosahovat amplitudy cca 100 V. Dále je nutné řídit jeho frekvenci a stejnosměrnou složku pro precizní dostavování polohy. Softwarové vybavení pro mikrokontrolér musí poskytovat bezproblémovou a stabilní funkci obvodu s využitím periferií jako watchdog nebo kontrola napájecího napětí. Dále bude jeho úkolem průběžně zpracovávat informace z ovládacích prvků na zařízení a umožňovat komunikaci s grafickým rozhraním použitého LCD displeje. Software si musí poradit i s řídícím signálem z počítače. Nejdůležitějším úkolem softwarové části bude schopnost správně a co nejpřesněji ovládat výkonové prvky pro polohovací zařízení. Na programovém algoritmu bude také záviset přesnost zpětného měření aktuální polohy a tím vlastně přesnost celého systému. Počítačová aplikace by měla umožňovat přehlednější ovládání a zavést možnost zautomatizování sledu posuvů a poloh. Pro zajištění bezchybné funkčnosti na co nejširším počtu operačních systémů bude nutné zvolit vhodné vývojové prostředí, správně používat ovladač pro USB propojení a vytvořit přehledný zdrojový kód programu.

1 Polohovací zařízení Vytvářený ovládací obvod bude sloužit pro konkrétní typ mechanického polohovacího zařízení, jehož parametry definují vlastnosti, které je potřeba dodržet s hlediska amplitud, tvarů a frekvencí vstupních a výstupních signálů a jejich případné zkreslení. Od tohoto se odvíjí volba napětí a výkonu napájecího zdroje, parametry použitých součástek a typ zpětné vazby pro vytvoření regulační smyčky.

8

V tomto projektu se zabývám návrhem řídící elektroniky přímo pro konkrétní typ SLC-1720 od firmy SmarAct GmbH (obr. 1.1). V nabídce firmy je mnoho produktu z oblasti „nanoposuvu“. Podle účelu použití můžeme vybrat z nabízeného sortimentu vhodný druh mikroposuvu. Rozdíly jsou ve velikosti samotného mikroposuvu, v jeho nosnosti, nebo v integraci senzoru polohy. Všechny nabízené mikroposuvy mají vysokou přesnost s rozlišením sub-nanometr.

Obr. 1.1: Polohovací zařízení SLC-1720 [22]

1.1 Mechanická konstrukce polohovacího zařízení Mikroposuv je tvořený nepohyblivou částí určenou pro celkové upevnění. Nepohyblivá část také tvoří zázemí pro piezoelement a ložiska k uložení posuvné části. Piezo element je z jedné strany pevně spojen s nepohyblivou částí a z druhé strany je spojen s posuvnou částí tak, že při malé změně jeho rozměrů dokáže vyvolat pohyb s posuvné částí. Mechanika ložisek musí být nastavena tak, aby při překročení určité rychlosti pohybu piezoelementu nastal mezi posuvnou částí a jednou stranou piezo elementu prokluz. Tímto se tvoří pohyb jezdce na obě strany v závislosti na tvaru impulsů vstupního signálu.

mikroposuv

pohyblivé uložení

piezoelement

nepohyblivá část

Obr. 1.2 orientační znázornění mechanického uspořádání hlavních částí mikroposuvu

1.2 Popis ovládacích signálů Pro připojení mikroposuvu k ovládacímu zařízení je vyveden konektor. Zapojení konektoru je na obr. 1.3. Jeden z uzemněných vývodů je připojen na zápornou elektrodu 9

piezoelementu a druhý je použit jako ochranný vodič. V elektrickém obvodu je možno připojit oba zemnící vodiče na GND.

GND

HV

GND

Obr. 1.3 Popis vývodů konektoru mikroposuvu [21]

Na vstup HV je přiveden řídící signál o maximální amplitudě 100 V. Na tomto vývodu by se nemělo objevit záporné napětí proti zemi. To by mohlo vést k depolarozaci piezo elementu a tak k poškození celého mikroposuvu. [21]

Tab. 1: Maximální a mezní hodnoty použitého mikroposuvu [21]

Impulsní obousměrný pohyb Amplituda pulsů Maximální frekvence Rychlost Rozsah kroku Strmá hrana Spojitá jednosměrná výchylka Stejnosměrné napětí Rozsah pohybu při stejnosměrném napětí

40 – 100 V 18500 Hz 50 - 500 nm 100 V/µs 0 - 100 V 0 - 750 nm

Z popisu mechanické konstrukce plyne, že potřebujeme ovládat piezoelement určitými impulsy tak, aby byl vyvolán pojezd posuvníku. Podle dokumentace (viz. tab. 1) může být v závislosti na amplitudě řídícího signálu vykonán při jednom impulsu krok s délkou 50 – 500 nm. Pohyb mikroposuvu je podle výrobce zaručen při minimální amplitudě impulsu 40 V. Z dokumentace plyne, že regulací amplitud impulsů mezi 40 – 100 V můžeme tedy zajistit mechanický krok v rozmezí 50 - 500 nm. Maximální frekvence pulsů je 18,5 kHz. Jeden řídící impuls by měl mít pilovitý tvar s jasně odlišenou „strmou“ hranou a „pomalou“ hranou. Tím je totiž řízen směr pohybu mikroposuvu a to tak, že pokud je strmá nástupná hrana a pomalá sestupná – pohybuje se mikroposuv jedním směrem, a pokud pomalá nástupná hrana a strmá sestupná – pohybuje se mikroposuv opačným směrem. Proto, aby byl zajištěn mechanický prokluz při strmé hraně, musí být splněn parametr časového průběhu signálu 100 V/µs. Průběh pomalé hrany plyne z údaje o maximální frekvenci. 18,5 kHz odpovídá periodě cca 54 µs. Pokud má strmá hrana při maximální amplitudě trvat 1 µs, pomalá může trvat teoreticky až 53 µs. Pro jemnější rozlišení pohybu dosahujícího pod již zmiňovaný jeden nanometr musíme na piezo element přivést přídavný stejnosměrný konstantní napěťový signál v rozmezí

10

0 – 100 V. Tímto jsme schopni měnit polohu mikroposuvu s rozlišením lepším než jeden nanometr z rozsahu asi 750 nm.

Graf. 1: Zobrazení ideálního průběhu řídícího signálu pro oba směry

100

120 u[V] 100

80

80

60

60

40

40

20

20

0

0

120 u[V]

0

50

100

t 150 [us]

0

50

100

150 t [us]

2 Konstrukce zařízení Konstrukce zařízení zahrnuje podrobný návrh obvodu od blokového schéma až po konečné zpracování, výrobu DPS s ohledem na mechanické upevnění a elektrické propojení všech částí. Rozměry jsou voleny tak, aby bylo možné všechny bloky osadit do zvolené plastové krabičky, která završí mechanickou pevnost a potřebnou izolaci zařízení pro bezpečné uživatelské ovládání.

2.1 Zpracování úkolu Pro řešení zadání je možné zvolit více druhů cest. Napájecí zdroj může být volen jako síťový, nebo další možností je tzv. „step-up“ měnič pro dosažení potřebného vysokého napětí. Ovládací část musí obsahovat procesor, který je schopen podle zadaného programu zpracovávat uživatelské požadavky a převádět je na signály pro výkonový koncový stupeň. Těchto procesorů je spoustu typů a podle náročnosti vykonávaných funkcí volíme od jednoúčelových integrovaných obvodů (např. řízení zdroje), přes universální mikrokontroléry až po programovatelné logické obvody (PLD), které umožňují náročnější a rychlejší zpracování signálů. Poslední částí generátor koncového signálu. Zde je možnost jít cestou integrovaných operačních zesilovačů s napěťovým a proudovým posílením výstupů s řízením pomocí složitých a drahých A/D převodníků, nebo využití možnosti snadno dostupné PWM z řídící součástky a převod pomocí RC konstant a diskrétních tranzistorů na požadované průběhy napětí. Další možností je volba typu zdroje pro nabíjení kapacity piezoelementu, kdy můžeme zvážit výhody a nevýhody použití napěťového a proudového zdroje.

11

Důvody pro výběr jednotlivých metod zpracování jsou uváděny v jejich popisu v následujících kapitolách.

2.2 Blokové schéma

I2C

3x

Displej

Šířka pulsu/stick-slip Tlačítka/koder

Mikrokontrolér Šířka pulsu/napětí DC

USB/UART

Napájení z USB

Napájení

Obr. 2.1 Blokové schéma elektroniky

Blokové schéma na obr. 2.1 naznačuje vzájemné propojení všech dílčích obvodů. Napájecí část transformuje síťové napětí na stejnosměrných 5 V a 120 V. Na hlavní desce je rozvod obou druhů napájení k příslušným blokům znázorněný úzkými šipkami. Silnými šipkami jsou znázorněny datové linky pro vzájemnou komunikaci. Měření posuvu bude provádět samostatný modul a s hlavní deskou bude propojen přes I2C přímo mezi mikrokontroléry. Pro připojení k PC bude využit hardwarový UART (piny RX a TX). Sériové rozhraní lze snadno převést na USB sběrnici pomocí přídavné součástky (např. FTDI [12]). Na hlavní desce bude též vestavěn regulovaný vysokonapěťový zdroj, což je vlastně RC článek. Jeho časová konstanta bude zvolena tak, aby bylo možné nabíjet kapacitu v časovém úseku z maximálního rozsahu 0 - 53 µs. Kapacita musí být zároveň tak veliká, aby dokázala nabíjet řídící modul po dobu jednoho výstupního impulsu. Relativně pomalým časováním RC článku dostáváme možnost regulovat na rozsahu několika desítek kroků amplitudu signálu, který bude k dispozici pro řídící modul resp. mikroposuv. 12

koncový stupeň – kanál 1

koncový stupeň – kanál 2

zdroj III

mikrokontrolér

uart-usb

koncový stupeň – kanál 3

zdroj I

zdroj II

koncový stupeň – kanál 3

koncový stupeň – kanál 2

zdroj I – primární část

zdroj III

Koncový stupeň – kanál 1

mikrokontrolér

uart-usb zdroj II

Obr. 2.2 Uspořádání hlavní desky

Hlavní součásti vestavěné na desce a jejich uspořádání je vyobrazeno na obr. 2.2. Bude zde i hlavní mikrokontrolér pro řídící a komunikační účely. Podrobnější popis bloků je uveden v následujících kapitolách.

2.3 Popis jednotlivých bloků 2.3.1 Napájení Jak již bylo uvedeno, mikroposuv je ovládán napěťovými impulsy s amplitudou maximálně 100 V. Z toho plyne, že napájecí zdroj pro celý ovládací obvod bude mít 13

nestandardní parametry. Těmito nestandardními parametry je myšlen hlavně zdroj napětí pro ovládání mikroposuvu. Běžné transformátory jsou dodávány se sekundárním vinutím nečastěji do 48 V. V tomto případě je potřeba vyrobit zdroj s dvěma výstupními napětími. UOUT1 = 5 V a UOUT2 ≈ 120 V. První napětí 5 V je určeno pro mikrokontrolér, displej a měnič pro podsvícení displeje. Druhý 120 V výstup je pro mikroposuv. Ten podle dokumentace [21] pracuje s amplitudami 40 – 100 V a rezerva na zdroji (přibližně 20V) je kvůli způsobu regulace amplitudy výstupního signálu (kapitola 2.3.5). Jde zde o nabíjení kapacit a ztrátu části náboje, který se dostane k mikroposuvu. Pro přesný návrh zdroje je nutné znát potřebný příkon jednotlivých obvodů. Proudové nároky pro 5 V okruh: • • •

mikrokontrolér - při využití maximální frekvence 16MHz - 14mA [16], displej – napěťový dělič pro 3,3V – 1mA (kapitola 2.3.3), inverter – podsvícení displeje – 15mA [10],

celkem tedy 30 mA to je 0,15 W. Spotřeba proudu pro 120V okruh je náročnější kvůli tomu, že většinu zátěže tvoří přechodové jevy v RC obvodech a následné ztráty náboje kapacity piezoelementu mikroposuvu v rezistoru přeměnou na teplo, nebo vyzářením. Spotřebu obvodu budeme řešit pro jeden směr („up“) pohybu, kdy veškerý příkon v jednom kroku tvoří nabíjení kapacity piezoelementu C = 35nF přes rezistor R = 1kΩ po určitou dobu. Během této doby se proud mění podle rovnice [1] (odvozeno v [1]). 


   

(1)

kde I je nejvyšší proud, který bude obvodem procházet hned po sepnutí, když se vybitý kondenzátor projevuje jako zkrat. 

120   120

1000

τ je časová konstanta.     1000 · 35 · 10  35 · 10 

Řešení rovnice [1] v čase 0-54 µs je zobrazeno v grafu (graf. 2).

14

Graf. 2:: Průběh P proudu RC členem přii nabíjení piezoelementu

Pro maximální frekvenci ovládacího zařízení za 3 kHz trvá jedna perioda 333 µs. Z maximální frekvence mikroposuvu mikroposuv (viz. tab. 1)) plyne, že jeden impuls by měl m trvat nejdéle právě cca 54 µs což je 16% % času celé periody. Viz graf. 3.

Graf. 3:: Průměrná Prů spotřeba proudu při frekvenci 3 kHz během ěhem 1 ms 0,07 I[A] 0,06 I[A]

0,05

Iprum[A] 0,04 0,03 0,02 0,01 0 0

200

400

600

800

t[us] 1000

Protože špičkovou kovou spotřebu spot kryje filtrační kondenzátor, můžeme žeme počítat s dodávaným proudem během hem pohybu „up“ o velikosti necelých 10 mA (vztah [2]).

15

   ·

!"#$

 0,06 · 0,16  9,6 

(2)

(  ·   120 · 0,0096  1,152 ) Druhý směr pohybu „down“ nikdy nemůže díky řízení mikrokontrolérem nastat současně, proto je možné do výsledného příkonu započítat pouze 1 x Iprum. Pro návrh zdrojové části potřebujeme znát příkon zařízení. Ten tvoří 0,15 W pro 5 V okruh a 1,2 W pro 120 V okruh. Celkem tedy 1,35 W. Pro napájení ze sítě 230 V je to poměrně malá hodnota a není problém zdroj předimenzovat s dostatečnou rezervou pro pokrytí tohoto příkonu. Řešení síťových napájecích zdrojů představuje dvě hlavní možnosti přístupu. Zdroj se standardním transformátorem, nebo spínané měniče napětí s vysokofrekvenčním transformátorem. •

Standardní transformátor – Je to levný a jednoduchý druh konverze síťového napětí na pracovní napětí jednotlivých součástek v koncovém obvodu. Blokové schéma obsahuje pouze transformátor, usměrňovač a filtrační kapacitu. Transformátory jsou snadno dostupné a přímo od výrobců je k dispozici velký výběr variant, co se týče výkonu a sekundárních vinutí. Přesto je napětí 120 V, které potřebujeme na sekundární straně málo obvyklé a tím pádem je i obtížné použití tohoto typu zdroje. K problematice výroby transformátoru ať už vlastními silami, nebo pomocí odborné firmy na zakázku, je dostupné velké množství materiálů a literatury. Vhodného transformačního poměru lze dosáhnout i spojením dvou transformátorů s různými sekundárními vinutími. Zde se ale dvojnásobně projeví menší účinnost standardních transformátorů na síťový kmitočet 50 Hz. Dalším velkým problémem je stabilizace výstupního napětí. Časové konstanty nabíjení piezoelementu jsou odvozeny od napětí 120 V a je důležité zajistit stabilitu tohoto napětí. Protože lineární stabilizátor pro tuto hodnotu není k dispozici v podobě integrovaného obvodu, následoval by návrh v diskrétní podobě, nebo by bylo nutné upravit výpočetní algoritmus přímo v mikrokontroléru v závislosti na tvrdosti zdroje.

•

Spínaný zdroj – řeší většinu nedostatků zdroje se standardním transformátorem. Na druhé straně ale přináší i jisté nevýhody. Je větším zdrojem rušení a je nesrovnatelně složitější. I k tomuto tématu je možné využít velké množství literatury, informací, integrovaných obvodů a dokonce i specializovaných návrhových softwarů. Díky tomu se návrh spínaného zdroje nízkých výkonů stává jednodušším. Velkou výhodou jsou malé rozměry, větší účinnost [5] a snadná stabilizace výstupního napětí.

Během návrhu zařízení byl mikroposuv testován se zdrojem vytvořeným spojením dvou standardních transformátorů s výkonu 1,9 VA. Poměrem sekundárních vinutí 6 V a 15 V bylo 16

na „primární“ straně druhého transformátoru po dvoucestném usměrnění a filtrování kapacitou k dispozici asi 130 V naprázdno. Při zatížení impulsní zátěží tvořenou pojezdem mikroposuvu vyplynulo, že právě nestabilita a malý výkon tohoto zdroje by se stal velkým problémem při kalibraci pohybu mikroposuvu na přesnost. Při frekvenci řídících impulsů okolo 1 kHz už byl zdroj zatížený natolik, že impulsy dosahovaly amplitudy pouze kolem 90 V, což není ani celý pracovní rozsah mikroposuvu. Prvním krokem pro správnou funkci zařízení by bylo použití výkonnějších transformátorů. Zde nastal ale zlom při výběru typu zdroje kvůli pořizovací ceně, kdy se jednoznačně vyplatí použití spínaného zdroje.

2.3.2 Návrh spínaného zdroje Spínaný zdroj obsahuje téměř každý spotřebič z již uvedených důvodů, jako jsou malá hmotnost a malé rozměry, nízká cena, větší účinnost a velmi nízký „stand-by“ příkon. Hlavním důvodem snížení hmotnosti je použití vysokofrekvenčního transformátoru s feritovým jádrem, který je schopen transformovat napětí s požadovaným výkonem na mnohem menších rozměrech než standardní typ transformátoru. Je k tomu zapotřebí řídící spínací obvod pracující na primární straně. Tato část obvodu není galvanicky oddělená od externího napájení, což je v případě napájení ze sítě 230 V nebezpečné a náročnější na výběr součástek. Je potřeba ji při návrhu DPS izolovat od ostatních spojů zformováním do bloku, který je oddělen od ostatních částí zesílenou mezerou na desce. „Živá“ část by měla být vyznačena na DPS popisem a jasným, na první pohled viditelným, oddělením. V současné době se nejčastěji používají tyto typy měničů: • • •

blokující měnič (flyback converter), propustný měnič (forward converter), dvojčinný měnič (push-pull converter).

Blokující měniče patří do skupiny jednočinných měničů a pro svou jednoduchost jsou velmi rozšířené. Výhodou je nízký počet součástek a potřeba pouze jedné induktivní součástky. Nevýhodou jsou větší ztráty transformátoru díky potřebné vzduchové mezeře. Používají se do maximálních výkonů 200 W [23]. Propustný měnič patří také do skupiny jednočinných měničů. Má oproti blokujícímu měniči vyšší účinnost a vyšší výkonový rozsah. U transformátoru není potřebná vzduchová mezera a to umožňuje efektivnější využití magnetického obvodu transformátoru. Nevýhodami jsou velké rušení, potřeba dvou induktivních součástek a velká výstupní filtrační indukčnost. Tento typ zdroje je určen pro aplikace to výkonu 500 W [23]. Dvojčinný měnič se používá pro velmi vysoké výkony v řádech kW [23]. Proto byl vybrán jako nejvhodnější typ měniče nejjednodušší blokující měnič. Integrované obvody zahrnující primární řídící část zdroje jsou snadno k dostání. Pro svou funkci potřebují 17

minimum externích součástek. Jako vyhovující typ co se týče ceny a dostupnosti [17] jsem vybral integrovaný obvod od firmy Power Integrations, Inc. [20] s označením TNY268PN. Obvod obsahuje spoustu funkcí zjednodušujících návrh celého zdroje: • • • • • •

ochranu proti zkratu, eliminaci hluku transformátoru na slyšitelné frekvenci („pískání“), obvody pro minimalizaci rušení, výkonový spínací prvek, PWM řídící obvod, pro tento typ obvodu není nutné „bias“ vinutí.

Obvod dále může pracovat s velkým rozsahem vstupních napětí (85 – 265 V). Pokud je zajištěno napájení ze sítě s napětím pouze 230 V je možné počítat s maximálním výkonem zdroje až do 23 W, což podle (kapitola 2.3.1) bude plně dostačovat. Velmi výraznou výhodou je návrhový software PI Expert Suite, který je k dispozici po registraci na stránkách výrobce [20]. Po zadání vstupních a výstupních parametrů zdroje získáme blokové schéma se všemi parametry externích součástek a odrušovacích filtrů. Program obsahuje i velkou databázi dostupných feritových jader transformátorů, pro které je možné návrh optimalizovat. Následně je k dispozici informace o zhotovení transformátoru: počet závitů, izolace, vzduchová mezera, typ drátu, atd. Vstupními parametry pro navrhovaný zdroj jsou typ součástky (TNY268PN z rodiny TinySwitch-II), druh napájecího napětí (Single 230 V; 195 – 265 V) a volba výstupních napětí (100 V – 0,01 A a 10 V – 0,1 A). Výstupy pak jsou např. na obr. 2.3 a obr. 2.5.

Obr. 2.3: Výstup návrhového programu PI Expert Suite - blokové schéma zdroje [20]

Podle blokového schématu (obr. 2.3) byl vytvořen i konečný návrh zdroje (Příloha A). Vstupní napětí prochází přes EMI filtr do usměrňovacího můstku, který musí být koncipován na síťové napětí. Za můstkem následuje filtrační kapacita Cin. Podle výkonu zdroje dostačuje hodnota 10 µF pro napětí 450 V. Blok „clamp“ obsahuje obvod pro omezení špiček 18

vznikajících při rozepnutí spínače díky indukčnosti primárního vinutí. Z návrhu plyne, že pro správnou funkci dostačuje i nižší obvod rodiny TinySwitch-II s označením TNY266PN, který je shodný s použitým TNY268PN pouze s nižším výkonovým zatížením. Při výrobě transformátoru (obr. 2.6) je nutné dodržet mechanické začátky vinutí a správně je potom zapojit do obvodu. Návod na výrobu transformátoru je na obr. 2.6. Program je limitován výstupním napětím 100 V. Úprava na požadovaných 120 V byla provedena přidáním dalších závitů na hlavní sekundární vinutí. Při konstantě cca 1 závit ~ 1 V (90 + 11 závitů pro 100 V) je nutné přidat 20 závitů. V tomto případě je nutné upravit i programem navržený zpětnovazební obvod (obr. 2.4) se zenerovou diodou (Feedback Secondary Zener).

Obr. 2.4: Zpětnovazební obvod se zenerovou diodou a optočlenem [20]

Protože chceme stabilizovat 120 V okruh, je nutné zavést zpětnou vazbu z výstupu Vout1. Závěrné napětí zenerovy diody bude 120 V s dovoleným zatížením 1 W. Obvod funguje tak, že pokud se na výstupu objeví vyšší napětí než je UZ + UF (UF je úbytek napětí na diodě v optočlenu) optočlen sepne a uzemní tím řídící vstup „EN“ integrovaného obvodu TNY. Ten na tuto změnu zareaguje upravením PWM spínání primárního vinutí pro vyvážení dodávaného výkonu. [14] Pro usměrnění výstupních napětí na sekundární straně transformátoru se používá jednocestný usměrňovač s rychlou diodou, která je zvolena s ohledem na výstupní napětí a proud. Za diodou následuje filtrační kondenzátor a u výstupu odbočky pro 10 V je vložena tlumivka pro lepší filtraci napětí. To je potřeba pro mikrokontrolér, který by se mohl při špatné kvalitě napájecího napětí zaseknout, nebo restartovat. V odbočce sekundárního vinutí není napětí dobře stabilizováno, proto byla zvolena vyšší hodnota (cca 10 V) následně upravena pomocí běžného stabilizátoru 7805 na potřebnou hodnotu pro mikrokontrolér. Použití stabilizátoru 7805 je zde dostačující, protože tady není velký rozdíl napětí Vin - Vout a požadovaný výstupní proud je maximálně 30 mA (kapitola 2.3.1), což odpovídá maximální ztrátě na tomto prvku 0,15 W.

19

Obr. 2.5: Výstup programu PI Expert Suite - konstrukce transformátoru se schematickým znázorněním zapojení do obvodu [20]

Obr. 2.6: Výroba transformátoru podle instrukcí návrhového programu

2.3.3 Komunikace, řízení, ovládání

Mikrokontrolér Mikrokontrolér je hlavní ovládací prvek celého systému. Zajišťuje komunikaci s uživatelem pomocí zobrazování informací na displej, přijímání povelů z ovládacích prvků a posílání dat do počítače. Dále zajišťuje reakci na tyto vstupně výstupní data ovládáním koncových tranzistorů. Pro zpracování všech těchto informací je zapotřebí dostatečné množství portů, ke kterým jsou jednotlivé bloky připojovány. Mikrokontrolér obsahuje na základě externího přesného krystalového oscilátoru zdroj pro měření časových úseků, což je 20

potřeba kvůli generování PWM pulsů pro koncový stupeň. Pro další funkce celého zařízení jsou využity integrované periferie mikrokontroléru, jako jsou A/D převodník a UART rozhraní. Zde je shrnutí těchto a některých dalších požadavků: • • • • • • • • • • •

5 linek pro displej (obr. 2.8), 4 vstupní linky pro ovládací prvky (obr. 2.10), 3 A/D vstupy pro zajištění stejnosměrné výstupní složky (kapitola 2.3.6), 3 x 4 výstupy pro PWM řízení koncových tranzistorů, 2 výstupy pro řízení pomocného zdroje (kapitola 2.3.5), I2C pro připojení externího modulu (např. pro zpětnovazební obvod), power on reset, on-board programování ISP, dostatečně velká flash paměť, časovače nezávislé na běhu programu, RS-232 rozhraní.

Tyto požadavky jsou relativně nenáročné a najdeme proto snadno vyhovující, levný a dostupný mikrokontrolér od mnoha firem. Při výběru konkrétního typu je v tomto případě rozhodující především zkušenost tvůrce zařízení a programu. Já jsem vybral mikrokontrolér řady AVR od firmy Atmel [16] s označením ATMEGA16, který vyhovuje výše uvedeným požadavkům. Mikrokontrolér disponuje redukovanou instrukční sadou RISC, ta snižuje jeho cenu a umožňuje snadné vytváření programu. Výběr produktu AVR má ještě jednu velkou výhodu. Při začínání s programováním není potřeba drahý hardwarový programátor. Většina produktů s označením AVR má k dispozici již zmíněné on-board ISP rozhraní umožňující zápis do flash paměti mikrokontroléru. Pokud máme k dispozici počítač s paralelním portem, jedná se pouze o propojení určitých vývodů přímo s mikrokontrolérem [13], nebo je možno zhotovit velmi jednoduchý a levný USB programátor [24]. Mikrokontrolér obsluhuje během pojezdu v nejnáročnějším případě tyto funkce: • • • •

měření časového úseku pro opakování pulsů (rychlost pohybu), měření šířky pulsu pro generování správné amplitudy „stick-slip“, zaznamenávání počtu kroků (pulsů) pro orientaci o poloze mikroposuvu, vyhodnocování ovládacích signálů od uživatele.

Pokud bereme v úvahu maximální frekvenci pulsů 3 kHz je perioda opakování 333 µs. Během tohoto času musí mikrokontrolér provést výše uvedené úkoly. Zvolený typ mikrokontroléru dokáže zpracovávat instrukce s výkonem 16 MIPS @16MHz. Při použití maximální povolené frekvence oscilátoru 16 MHz trvá tedy jedna instrukce přibližně 62 ns. Některé instrukce ovšem potřebují více hodinových cyklů (jejich rozpis je uveden v [16]). I tak je ale jasné, že pro tuto aplikaci bude výpočetní výkon plně dostačovat. Je zde pouze malé omezení, že výpis údajů na displej a do počítače se provede vždy až po skončení 21

nadefinované pohybové úlohy. Omezení rychlostí komunikace s displejem a s počítačem pomocí příslušných rozhraní (kapitoly 2.3.3 a 2.3.4) by nedovolovalo jednomu mikrokontroléru správně generovat výstupní signál pro koncové tranzistory.

Obr. 2.7: Schéma části obvodu s mikrokontrolérem

Na obr. 2.7 je uvedeno celkové zapojení mikrokontrolérové části obvodu. Rezistor R5 představuje pull-up pro resetovací pin mikrokontroléru, který je aktivní ve stavu „L“. Pro správný rozběh mikrokontroléru není potřeba doplňovat žádné další externí součástky, protože je u tohoto typu integrován automatický detektor napájecího napětí napojený na resetovací vstup. Rezistory R4, R5, R6 a R48, R49, R50 jsou napěťové děliče pro detekci výstupního signálu dosahujícího amplitudy až 100V. Integrovaný A/D převodním pracuje maximálním vstupním napětím 5V (UA/Dmax ~ Ucc [16]). Proto zvolíme vhodný dělící poměr rezistorů s ohledem na zatížení výstupního obvodu a vstupní části A/D převodníku. Hodnoty rezistorů jsou: 640 kΩ a 27 kΩ. Podle [16] je nutné zapojit filtrační kondenzátor ke vstupu AREF pokud je použita reference pro A/D převodník z napájecího napětí. Hodnota C14 je 10 nF. Mikrokontrolér obsahuje interní RC oscilátor, který v tomto případě nevyužíváme z důvodů malé teplotní a napěťové stability kmitočtu. Proto je k obvodu připojen externí krystal s potřebnými kondenzátory. C11 je blokovací kondenzátor, který je na DPS umístěn co nejblíže napájecím

22

vývodům obvodu a kryje proudové špičky vyvolané rychlým překlápěním velkého množství spínacích MOS prvků v mikrokontroléru.

Uživatelské rozhraní Podle zadání má být dostupná možnost ovládat pohyb mikroposuvu přímo bez použití počítače. Je nutné jej tedy vybavit komunikačním rozhraním pro obsluhu. I zde je spousta možností jak problém vyřešit. Pro zobrazování údajů jsme zvolili LCD displej s označením EA W128-6X9, který je produktem firmy Electronic Assembly [11]. Jedná se o jednobarevný grafický displej s rozlišením 128x64 bodů o rozměrech 56x34 mm. Displej má integrovaný řadič KS 0713. Komunikaci je možné provádět sériově nebo paralelně. Podsvětlení displeje je řešeno pomocí elektroluminiscenční fólie, pro kterou je nutno zapojit výrobcem dodávaný měnič. Vhodným typem měniče je EA PSEL-22 [10]. Napájecí napětí displeje je 2,4 – 3,6 V. Proto je nutné napětí 5 V, se kterým pracuje mikrokontrolér přizpůsobit. Displej má velmi malý proudový odběr. V aktivním stavu cca 70 µA. To dovoluje pro přizpůsobení napájení použít jednoduchý odporový dělič. Ten je použit i pro datové vstupy.

Obr. 2.8: Propojení mikrokontroléru (vlevo) a displeje (vpravo) sériovou verzí komunikace [11]

Na obr. 2.8 je uvedeno základní propojení pro sériovou komunikaci, ze kterého je vytvořeno schéma displejové DPS. Ta obsahuje speciální konektor typu FFC/FPC ZIF dostupný např. zde [19], napěťové děliče, konektor pro měnič podsvícení a konektor pro spojení s hlavní deskou. Schéma s návrhem DPS v měřítku 1:1 je přiloženo (Příloha A). Jako ovládací prvek zařízení je zvolen rotační koder, který je možno efektivně využít pro orientaci v jednotlivých nastaveních programu a položek menu. Ovládání obsahuje navíc další tlačítko pro snadnější ovládání často potřebných funkcí. Rotační koder s označením P-RE20S je k dostání zde [18], kde je uveden i katalogový list s informacemi o zapojení vývodů. Na obr. 2.9 jsou změřeny průběhy signálů při pohybu ovládacím prvkem. Je zde vidět, že směr je možno rozeznat vzájemným posunutím impulsů s úrovní „L“. Jako spolehlivé dekódování pomocí mikrokontroléru se zde jeví použití alespoň jednoho vstupu, který je schopen vyvolat přerušení programu. U těchto vstupů (INTx) je možno programově nastavit jestli mají reagovat na jakoukoli změnu, nebo jen při nástupné resp. sestupné hraně (pozn. použitý typ mikrokontroléru ATMEGA16 má pouze dva vstupy s touto funkcí – novější řady AVR umožňují vyvolání přerušení téměř na libovolném portu). 23

Programová rutina pro detekci pohybu s použitím přerušení může vypadat následovně. Přerušení je nastaveno na sestupnou hranu modrého (z obr. 2.9) signálu. Na všech čtyřech záznamech měření je vidět, že v tomto okamžiku vždy odpovídá hodnota růžového signálu směru otáčení. Při otáčení doleva a) a c) bude na druhém vstupu vždy detekována úroveň „L“ a při otáčení doprava b) a d) naopak. Je třeba pouze ošetřit vyvolání přerušení bezprostředně po jeho dokončení z toho důvodu, že kontakt je tvořen mechanickým spínačem, který může produkovat zákmity. V programu byl zvolen čas 1 ms. Tato hodnota plyne z obr. 2.9 jako dostačující a byla odzkoušena s konkrétním rotačním koderem. Pokud není k dispozici vstup s možností přerušení, lze směr detekovat pomocí sekvence dvou výstupních signálů načítaných v pravidelných časových intervalech. Zákmity je zde možno ošetřit použitím tzv. Grayova kódu [4].

a)

b)

c)

d)

Obr. 2.9: Signály rotačního koderu a) jeden krok doleva b) jeden krok doprava c) otáčení doleva d) otáčení doprava

Na obr. 2.10 jsou popsány signály na konektorech propojujících displejovou desku a ovládací prvky s hlavní deskou. Černý konektor s označením „invertor“ je určen pro měnič podsvícení displeje. 24

1. 1. GND 2. RES 3. RS 4. SCLK 5. SID 6. ON INV 7. +5V

1.

1. INT ROT A 2. ROT B 3. ROT TL 4. TL ESC 1. GND

INVERTER

Obr. 2.10: Připojení konektorů pro ovládací prvky a displej

2.3.4 Propojení s počítačem

Jako převodník bude použit obvod FT232RL. Tento obvod převádí standardní komunikační sběrnici USB na rozhraní UART v TTL úrovních. K tomuto obvodu jsou volně dostupné ovladače (drivery) pro PC (Windows i Linux) dvou typů: • •

Direct driver, VCP driver (virtual COM port).

K obvodu FT232RL se přistupuje jako ke standardnímu rozhraní TTL RS-232 a celá komunikace je tak velmi jednoduchá (stačí propojit RxD a TxD vývody mikrokontroléru s vývody RxD a TxD obvodu FT232RL). Pokud se dále v PC nainstaluje VCP driver, tak se vytvoří virtuální COM port a aplikace, které dříve komunikovaly s hardwarem pouze přes klasický COM port tak mohou s tím stejným zařízením komunikovat přes USB port. K vytvoření komunikace v tomto zařízení je použita verze ovladačů „direct driver“. Výrobce převodníku poskytuje k tomuto druhu přístupu speciální knihovny v několika verzích, obsahující většinu programovacích jazyků (Delphi, C++, C#, Visual Basic). Pomocí nadefinovaných funkcí v knihovně je možno ovládat sériovou komunikaci mikrokontroléru. Podrobný popis komunikace je popsán v [6].

25

Obr. 2.11: Zapojení integrovaného obvodu FT232R podle [12]

Zapojení FT232R v obvodu uvedeno na obr. 2.11 je odvozeno od základního zapojení podle katalogového listu [12]. Jedná se o verzi s napájením převodníku z USB konektoru.

2.3.5 Koncový stupeň Koncový stupeň tvoří tranzistory s malým vnitřním odporem RDS ve vodivém stavu určené pro realizaci sepnutí při ostré hraně impulsu a tranzistory zabezpečující sepnutí obvodu obsahujícího velkou RC konstantu pro dlouhou hranu impulsu. Je také tvořen pomocnými NPN tranzistory ovládající tranzistory typu PNP. Tuto část obvodu si tedy rozdělíme do dvou částí. Obvod pro zajištění dlouhé nástupné a strmé sestupné hrany (graf. 1 vlevo) (dále obvod A) a obvod pro zajištění strmé nástupné a dlouhé sestupné hrany (graf. 1 vpravo) (dále obvod B). Díky vhodné RC konstantě při nástupné dlouhé hraně v obvodu A je možné jeho část využít pro generování stejnosměrné složky napětí (kapitola 2.3.6). Velikost amplitudy může mikrokontrolér řídit délkou impulsu podle času nabíjení kapacity piezoelemntu C = 35 nF přes rezistor R (vztah [3] odvozeno v [1]). 

* +,-  ./012 · 31 4 567·8 9

26

(3)

Graf. 4:: Nabíjení kapacity kapac C = 35 nF přes rezistor R = 1 kΩ z napěťového ěťového zdroje 120 V

Definitivní hodnoty do převodní p tabulky pro výsledné časy asy nabíjení odpovídající odpovída jednotlivým amplitudám byly změřeny zm eny osciloskopem a uloženy do flash paměti mikrokontroléru (kapitola 6). 6

Obr. 2.12: Koncový stupeň A

Při příchodu íchodu signálu „H“ z mikrokontroléru na vstup RS1 (obr. obr. 2.12) obvodu A se otevře tranzistor T6. Tím ím klesne potenciál kolektoru T6 téměř téměř na nulu a přes p napěťový dělič se otevře T9. V tuto chvíli se začíná za íná nabíjet kapacita piezoelementu připojeného p na výstup OUT1 přes es R1. Nabíjení trvá do té doby, než je napětí nap tí na piezoelementu odpovídá požadované hodnotě.. Po dosažení vyhovujícího časového asového úseku vypíná mikrokontrolér 27

výstupní signál RS1 a bezprostředně poté nastaví signál FF1. Tímto se dostává na řídící hradlo tranzistoru Q5 napětí dostačující k jeho otevření. Odpor RDS tranzistoru Q5 v otevřeném stavu je velmi malý. Asi 0,18 Ω [15]. Veškerý náboj nashromáždění v kapacitě piezoelementu se v mžiku vybije resp. vyzáří [2]. To se na napěťovém signálu projeví prudkou sestupnou hranou, která splňuje požadované parametry mikroposuvu [21]. Piezoelement prudce změní rozměr a oproti jezdci proklouzne. Takto je tvořen jeden krok pohybu směrem „up“ mikroposuvu. Všechny tranzistory zde fungují jako spínače tzn. jejich pracovní body vyhovují buď plně otevřenému, nebo plně zavřenému stavu. Z toho plyne, že jejich ztrátový výkon je vždy minimální. Tranzistory T12 a T15 je nutné vybrat pouze s ohledem na průrazné napětí UCE, UCB vyhovující typ je MPSA42 (NPN) a MPSA92 (PNP) k dostání zde [18]. Tranzistor na pozici Q6 musí splňovat nejnáročnější parametry. K minimálnímu UDS a UDG pro použité napětí 120 V je potřeba brát ohled na špičkový proud, který může během sepnutého stavu (cca 1 µs) tranzistorem téct. Podle simulace (OrCad PSpice) dosahuje proudová špička až 50 A. Unipolární tranzistor MOSFET byl zvolen z důvodu malého odporu RDS v sepnutém stavu, vysoký limit proudové špičky, nízká cena, možnost požití „logické“ verze u N-kanálové součástky, kdy dostáváme plné parametry sepnutí již při UGS = 5 V. To je výhoda při ovládání přímo výstupem mikrokontroléru. Rezistor R25 má hodnotu 2,2 kΩ a omezuje bázový proud tak, aby byl tranzistor při napětí 5 V ještě plně otevřen. To odpovídá podle [15] hodnotě asi 2 mA. R10, R13 a R16 tvoří dělič, přes který je ovládán T9. Jeho bázový proud pro plné otevření je podle [15] rovněž 2 mA. Hodnoty volíme podle R10 || R13 a R16 → R10 = 10 kΩ, R13 = 10 kΩ a R16 = 22 kΩ. R19 = 1 kΩ a tvoří časovou konstantu τ = RC. Hodnota byla zvolena podle (graf. 4).

Obr. 2.13: Signál z koncového stupně "A"

28

Na obr. 2.13 je signál změřený osciloskopem. V první části impulsu je vidět exponenciální funkce, jejíž průběh odpovídá teoretické hodnotě vypočtené a zobrazené v grafu (graf. 4). Průběh strmé hrany je dobře zachycen na obr. 2.14. Strmost plně splňuje požadavky mikroposuvu [21]. Největším nedostatkem tohoto řešení je skutečnost, že impuls odpovídající menší amplitudě trvá zároveň i kratší čas. Určení šířky impulsu (kapitola 1.2) jako hodnota 54 µs se zdá být i podle skutečného chování mikroposuvu správné. Při testování se ale ukázalo, že impuls by pravděpodobně neměl být kratší než již zmíněných 54 µs. Při splnění amplitudové podmínky pohybu (cca 40 - 50 V) už mikroposuv nebyl schopen vyvolat pohyb, i když nad 40 V by měl být pohyb zaručen. Řešením je vytvořit regulovaný zdroj napětí 40 - 100 V, kterým by se řídila velikost amplitudy. To by umožnilo zavést konstantní šířku impulsu.

Obr. 2.14: Signál z koncového stupně "A" - přiblížená sestupná hrana

U obvodu na obr. 2.15 není možno během času 1 us, což je doba strmé náběžné hrany řídit s požadovanou přesností amplitudu napěťového impulsu. Mikrokontrolér není tak rychlý a tranzistor vykazuje určitou setrvačnost díky pohyblivosti nosičů náboje [3] a nasycení hradla nábojem. Byl tedy vytvořen přídavný zdroj napětí (zdroj III na obr. 2.2 a obr. 2.18). Díky tomuto zdroji je na vstupu REG_PWR koncového stupně B nachystáno napětí pro vytvoření požadované amplitudy. Další funkce obvodu je podobná jako u části „A“ s tím rozdílem, že podle [15] je maximální povolené napětí UGS tranzistoru Q6 20 V. Aby nedošlo k poškození je mezi G a S vložena zenerova dioda pro napětí 18 V. Napěťový dělič totiž musí být navržen tak, aby se Q6 plně otevřel i při napájecím napětí 40 V, což je minimální pracovní napětí mikroposuvu. Určíme-li hodnoty R37 a R40 jako vyhovující pro 40 V, bude při vyšším napětí fungovat zenerova dioda jako omezovač napětí UGS. Hodnotu R40 je potřeba volit v rámci mezí T12, R37 a D5 jako nejmenší kvůli rychlému vybití náboje hradla G tranzistoru Q6. Tím je vyvolána strmá nástupná hrana napěťového signálu na kapacitě piezoelementu. 29

Obr. 2.15: Koncový stupeň B

Obr. 2.16 ukazuje změřený průběh generovaného impulsu koncového stupně „B“. Jak je vidět i z přiblížení na obr. 2.17, signál splňuje podmínky pro pohyb mikroposuvu. Zákmit při strmém nárustu napětí je vyvolán parazitní indukčností spojů, přívodů součástek a propojením mikroposuvu.

Obr. 2.16: Signál z koncového stupně "B"

30

Obr. 2.17: Signál z koncového stupně "B" přiblížená nástupná hrana

Obr. 2.18: Pomocný zdroj pro koncový stupeň "B"

31

Obr. 2.19: Průběh výstupních signálů obou typů z generátoru při maximální frekvenci 3 kHz

2.3.6 Stejnosměrná složka výstupního napětí Mikroposuv umožňuje v jednom směru velmi jemný pohyb jezdcem, který je způsoben změnou rozměrů piezoelementu. Tento pohyb je přímo úměrný a téměř lineárně (graf. 6) závislý na přiloženém napájecím napětí v rozsahu 0 - 100 V. V katalogovém listu se uvádí, že přesnost pohybu v tomto režimu by měla dosáhnout pod jeden nanometr. Rozhodl jsem se zvolit způsob výroby takového signálu s využitím již použitých součástek a žádné další nepřidávat. Pouze je kvůli této funkci v obvodu zavedena jistá „zpětná vazba“. Jedná se o měření výstupního napětí přímo pomocí D/A převodníku mikrokontroléru. Přepne-li se program do režimu jemného polohování, začne fungovat smyčka s následujícími úkoly: • •

měřit v co nejkratším cyklu výstupní napětí, pokud napětí nedosahuje uživatelem nastavené hranice aktivovat pomalou nástupnou hranu pomocí koncového stupně „A“ (vstup RS1).

Pomocí této programové smyčky je na výstupu udržováno stejnosměrné konstantní napětí. V dolních mezích je zvlnění 4 %, v horních < 1 %. Při sledování pohybu mikroskopem nebylo možné na zvětšení (obr. 4.1) reakci na zvlnění pozorovat. Pohyb se zdál být rovnoměrný a plynulý (graf. 6). Pokud bude mikroposuv používán v aplikacích, kde se zvlnění přece jenom projeví negativně, je možnost vytvořit složitější regulovaný zdroj stejnosměrného napětí.

32

R3 100k

R1 9.9meg

V

U2 7 3

+

V+ OS2 OUT

2 LM741

V3 0Vdc

-

4

OS1 V-

5

Q1

6 1

MPSA42 V2

R2 100k

100V

0

V1 15V

0

Obr. 2.20: Schéma přeného zdroje napětí v rozsahu 0 – 100 V použitelné pro jemný pohyb mikroposuvu

Na obr. 2.20 je návrh obvodu, jak může vypadat přesný regulátor. Operační zesilovače s přímým výstupem 100 V buď neexistují, nebo jsou špatně dostupné. Při této funkci ale není potřeba malého výstupního odporu, protože výstup nebudeme zatěžovat. Můžeme tedy použít obyčejný tranzistorový zesilovač SE, jehož vstup bude řídit operační zesilovač, který přes R1 a R2 snímá výstupní napětí na kolektoru T1. Děličem nastavíme hodnotu v rozmezí regulovaného nízkonapěťového zdroje V3. Operační zesilovač se snaží mezi invertujícím a neinvertujícím vstupem udržet nulový potenciál a tím pádem nastavuje hodnotu na výstupu tak, aby tato podmínka byla splněna. Přesnost obvodu je závislá především na zdroji V3, který musí tvořit D/A převodník a na jeho bitovém rozlišení, pokud potřebujeme napětí ovládat mikrokontrolérem. Použitím tohoto zapojení by se celé zařízení stalo značně složitějším a dražším.

2.4 Mechanické uspořádání

Obr. 2.21: Hotové uspořádání v plastové krabičce

33

Desky plošných spojů byly navrženy s upevňovacími otvory plastovou krabičku s označením U-KP29 k dostání zde [18]. Výsledné propojení a uspořádání je zachyceno na obr. 2.21, obr. 2.22 a obr. 2.23.

Obr. 2.22: Propojení ovladače s mikroposuvem

Obr. 2.23: Upevnění ovládacích prvků a desky pro displej

34

3 Měřicí a regulační obvod Tento obvod není součástí realizace diplomové práce. Je zde uveden návrh, jak pomocí regulační smyčky zvýšit přesnost pohybu. Pohyb jezdce je neelektrická veličina, kterou potřebujeme převést na elektrický signál. Mikrokontrolér by pak představoval komparátor porovnávající tento signál s požadovanou veličinou. Z vyhodnoceného rozdílu je možno získat informaci pro generátor řídících impulzů. Tyto impulzy je potom možno generovat s přesnější amplitudou závislou na právě zadané poloze jezdce.

3.1 Snímač polohy Mikroposuvy od firmy SmarAct je možno pořídit s integrovaným optickým inkrementálním snímačem s rozlišením okolo 5 nm. Takový mikroposuv ale nemáme k dispozici. Můžeme tedy zvolit některou z metod pro dodatečné měření vzdálenosti. Pro tyto účely se nejčastěji používají kapacitní, indukční, nebo optické snímače. Jednou z nejpřesnějších optických bezdotykových metod měření vzdálenosti jsou interferenční dálkoměry. Podmínkou je koherentní zdroj světla, jehož paprsek je rozdělen na část, která jde přímo do snímače a další část, která se odráží od sledovaného předmětu. Na snímači potom nastávají interferenční maxima a minima jasu paprsku. Jedno vystřídání minima a maxima odpovídá ∆l = λ/4. Z toho plyne, že pro zvýšení přesnosti je nutné použít zdroj světla s co nejmenší vlnovou délkou. Současné optické detektory a elektronické zpracování signálu dokáže změřit vzdálenost z rozlišením okolo ∆l = λ/10 [25].

Obr. 3.1: Blokové schéma laserového interferenčního dálkoměru; 1 - pevné rameno, 2 - proměnné rameno Mach-Zehnderova interferometru [25]

Tímto způsobem (obr. 3.1) tedy získáme převodník neelektrické veličiny (změna vzdálenosti) na elektrický signál s dostačujícími parametry pro přesnost vzhledem k rozlišení pohybu jezdce mikroposuvu. Snímač je důležitým členem následující regulační smyčky.

35

3.2 Regulační smyčka Úkolem regulační smyčky je přesné přiblížení polohy jezdce k uživatelem zadávaným pevným hodnotám. Poloha jezdce je fyzikální veličina, kterou je potřeba z důvodů nelinearity pohybu mikroposuvu stabilizovat. z w

e

regulační člen

yr

y nastavovací člen

ovladač

x regulovaný systém

-

měřicí člen

Obr. 3.2: Regulační smyčka [9]

Na obr. 3.2 je znázorněna jednoduchá regulační smyčka, kde měřicí člen představuje např. optický dálkoměr (viz. obr. 3.1). Elektrický signál odpovídající vzdálenosti je porovnáván s požadovanou hodnotou. Rozdíl požadované hodnoty w a skutečné hodnoty x je regulační diference e = w – x, ta je transformována pomocí regulačního členu na výstup regulátoru yR a to už je vstupní veličina pro samotný ovladač a generátor řídících impulzů [9]. Veličina z je tzv. rušivá veličina, kterou v tomto případě představuje nelinearita mikroposuvu, jeho zatížení a okolní podmínky, ve kterých je právě zařízení provozováno. V praktické realizaci zařízení je u mikrokontroléru vyvedena sběrnice I2C právě za účelem rozšíření o regulační smyčku. Bloky ovladač, nastavovací člen a regulovaný systém tvoří stávající hotové zařízení a bloky měřicí člen, komparátor a regulační člen je možno propojit právě přes tuto sběrnici. Výsledkem bude lepší využití přesnosti mikroposuvu a případné rozšíření možností použití při měření.

4 Kalibrace Měření probíhalo pomocí maximálního zvětšení laserového konfokálního řádkovacího mikroskopu LEXT OLS 3100 a křemíkové destičky s motivem mřížky, která je zachycena na obr. 4.1.

36

Obr. 4.1: Fotka pořízená mikroskopem LEXT OLS 3100

Tab. 2: Naměřené hodnoty - směr UP

UP RC1 ∙0,7[μs] 30 35 40 53 70 90 115

100 kroku x[μm] 0,25 5,7 15 39 67 85 88

10 kroku x[μm] 0 0,5 1,41 3,63 6,52 8,27 8,62

1 krok x[μm] 0 0 0,1 0,36 0,58 0,71 0,79

amplituda [V] 50 60 70 80 90 100

Tabulka tab. 2 obsahuje hodnoty při měření posuvu směrem „up“. Protože mikroposuv vykazuje hlavně při nižších amplitudách řídícího signálu nelinearitu pohybu v určitých částech jeho rozsahu, je nutné sdělit, že mikroposuv byl během měření přibližně ve své střední poloze. Hodnoty RC1 vyjadřují RC konstantu nabíjení kapacity piezoelementu v mikroposuvu (R = 1 kΩ, C ≈ 35 nF). RC konstanta pak odpovídá určité amplitudě řídícího signálu a ta dále určité výchylce kroku mikroposuvu. Měření směru „up“ bylo prováděno pro 1, 10 a 100 kroků. Hodnota 0 znamená neměřitelnou výchylku pomocí mikroskopu.

37

Tab. 3: Naměřené hodnoty – směr DOWN

DOWN 100 kroku RC2∙0,3 [us] x[μm] 3 4,51 6 16,42 10 29,08 17 45,12 26 59 65 81

DOWN RC2∙2,3 [us] 14 19 25 32 43 60

1 krok x[μm] 0,08 0,2 0,3 0,5 0,67 0,79

amplituda [V] 50 60 70 80 90 100

V tabulce tab. 3 pro směr „down“ odpovídají obdobně hodnoty RC2 konstantě pro nabíjení pomocné kapacity (R = 150 Ω, C = 220 nF). V levé části tabulky je čas nabíjení kapacity celkově nižší, protože se jedná pouze o dobíjení části ztraceného náboje při jednom kroku posuvu. Zde bylo prováděno měření pouze pro 1 a 100 kroků. V následujícím grafu (graf. 5) jsou zobrazeny hodnoty z obou směrů posuvu o 100 kroků.

RC konstanta

Graf. 5: Závislost konstant RC1 a RC2 na vzdálenosti - 100 kroků 140

70

120

60

100

50

80

40

60

30

40

20

20

10

0

0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

RC1 RC2

100

vzdálenost [um]

Proložením křivek byly získány přibližné hodnoty RC konstant v závislosti na délce kroku. Pokud chceme získat hodnotu RC konstanty pro délku kroku 100 nm odečteme ve sloupci 10 µm (vzdálenost 10 µm / 100 kroků = 100 nm na 1 krok). Tomu odpovídá pro osu RC1 (směr „up“) hodnota 37 a pro osu RC2 (směr „down“) hodnota 4. Tímto způsobem byly definovány délky kroku zobrazované na displeji ovladače 100 – 800 nm.

38

DOWN

UP Obr. 4.2: Směr pohybu mikroposuvu

Tab. 4: Měření výchylky mikroposuvu v režimu konstantního napětí

DC [V]

výchylka [μm]

0 20 40 60 80 100

0 0,15 0,31 0,5 0,79 0,98

Graf. 6: Závislost výchylky mikroposuvu na přiloženém napětí 1 0,9

výchylka [um]

0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0

20

40

60

stejnosměrné napětí [V]

39

80

100

5 Hardware pro programování mikrokontroléru Pokud potřebujeme pouze přenést program do mikrokontroléru již osazeného na desce plošných spojů, je nejjednodušší cestou použití SPI rozhraní – tedy využití funkce In-System Programmable flash. U tohoto způsobu potřebujeme pouze napájení mikrokontroléru a připojený zdroj hodinového signálu (ale ani ten není nezbytně nutný při použití vnitřního RC oscilátoru). Potom stačí přímé propojení vstupů MOSI, MISO, SCK a RESET s paralelním portem počítače. Návody jsou zde [13] nebo zde [24]. Většina dostupného programovacího software pro PC si s takovýmto zapojení poradí. Dalšími možnostmi je využití programování přes rozhraní JTAG, nebo pomocí bootloaderu [16]. Pokud v počítači nemáme k dispozici paralelní port, je možné zhotovit jednoduchý USB programátor podle [24]. Firma Atmel nabízí pro programování mikrokontrolérů také profesionální programátory (např. Dragon – k dostání zde [18]), který umožňuje využít tzv. debug-wire [16] pro odlaďování a krokování programu přímo v mikrokontroléru pomocí zdarma dostupného softwaru AVR Studio [16].

6 Software pro mikrokontrolér Vybraný mikrokontrolér od firmy Atmel Corp. disponující redukovanou instrukční sadou je možné pro snadnější a přehlednější vytváření zdrojového kódu programovat pomocí syntaxe jazyka C a při použití vhodného kompilátoru bez problémů tento program převést do asembleru a následně pak do strojového kódu. Opět je k dispozici několik druhů vývojových prostředí specializujících se přímo pro programování mikrokontrolérů. Při výběru záleží především na zkušenostech programátora a na ceně licence samotného vývojového prostředí. Program mikrokontroléru se skládá z těchto částí: • • • • • • • • • •

data pro zobrazení úvodního loga, základní font pro zobrazování alfanumerických znaků na grafickém displeji, převodní tabulku vytvořenou na základě kalibrace (tab. 5), obsluhu přerušení – externí, časovače, UART, funkce pro výpis informací na displej, funkce čtení stavu ovládacích prvků, funkce pro pohyb v menu a nastavování hodnot, funkce pro pohyb mikroposuvu, funkce pro čtení A/D převodníku kvůli stejnosměrnému napětí na výstupu, funkce pro komunikaci s PC.

40

Podrobný výpis programu je na přiloženém CD. Nejdůležitější funkcí programu je generování šířky pulsu, která nabíjí kapacitu piezoelementu a tím vytváří pohyb mikroposuvu. Diagram této funkce je uveden na obr. 6.1.

Tab. 5: Převodní tabulka amplituda resp. délka kroku na čas nabíjení ovládací, nebo přímé kapacity piezolementu délka kroku [nm]

krok "up" [μs]

pohyb "up" [μs]

krok "down" [μs]

pohyb "down" [μs]

100 200 300 400 500 600 700 800

18,5 21,5 24 27 30,5 35 37,5 39

18,5 21,5 24 27 30,5 35 37,5 39

30 38 50 56 64 76 90 120

0,6 1 1,8 2,4 3,8 5,2 9 13

Pro pohyb i krok „up“ jsou v tab. 5 stejné hodnoty, protože se jedná o přímé nabíjení kapacity piezoelementu a tím pádem je jisté, že při každém dalším impulsu je vybita a čas nabíjení je možno počítat od nuly. U kroku „down“ se jedná o nabájení kapacity pomocného zdroje. Časová konstanta je zde jiná (kapitola 2.3.5) a je rozdíl i mezi prvním krokem a každým dalším (pohybem). Při prvním kroku je kapacita pomocného zdroje vybita a začíná se nabíjet podle příslušné RC konstanty. Až dosahuje potřebné hodnoty přijde povel k vyvolání strmé nástupné hrany a část náboje se přemístí do kapacity piezoelementu. Díky odebrání této části náboje a určitým ztrátám je nutno před dalším krokem kapacitu ve zdroji dobít. To zajišťuje časová konstanta v posledním sloupečku tab. 5. Její hodnota je stanovena empiricky. Vybíjení a nové nabíjení relativně velké kapacity by bylo energeticky náročné. Před programováním mikrokontroléru je potřeba nastavit správně tzv. „fuse bits“ – programové propojky, kterými je určeno základní chování mikrokontroléru. U ATMEGA16 jimi lze nastavit např.: • • • • •

zdroj hodinového signálu, detektor napájecího napětí, prodlevu pro rozběhnutí oscilátoru, aktivaci watchdog, aktivaci JTAG.

V zařízení je potřeba nastavit propojky mikrokontroléru následovně: CKSEL3:0 CKOPT SUT1:0 JTAGEN

-

1111 0 10 0

krystalový oscilátor f > 8 Mhz, oscilátor f > 1 Mhz, standardní čas pro rozběh oscilátoru , vypnutí JTAG z důvodu připojení LCD k tomuto portu. 41

počet kroků, velikost kroku

funkce „down“

počet kroků roven 0

ano

opustit funkci

převod velikosti kroku na čas vybití pomocného zdroje nabití na požadovanou hodnotu nástupná hrana sestupná hrana aktualizace čítače kroků

byl požadován pouze jeden krok?

ano

opustit funkci

převod času pro dobíjení

dobití na požadovanou hodnotu nástupná hrana sestupná hrana aktualizace čítače kroků

přerušeno ovládáním?

ano

přerušeno ovládáním?

ano

čekání kvůli dodržení nastavené periody

Obr. 6.1: Vývojový diagram funkce pro pohyb "down"

42

opustit funkci

opustit funkci

7 Počítačová ová aplikace

Obr. 7.1: 7 Ukázka okna ovládajícího pohyb mikroposuvu u

čové aplikace jsem využil studentskou licenci vývojového prostředí Při tvorbě počítačové Microsoft Visual Studio 2008 a programovací jazyk C#. C Je tvořena ena jako projekt „Windows Forms Aplication“, kde je možné snadno vytvořit vytvo rozmístění ní a provázání ovládacích prvků prvk pomocí omocí grafického prostředí. Aplikace je doplněna dopln o komunikaci s knihovnou převodníku p FT232R dodávanou výrobcem [12].. Tato knihovna je do projektu implementována a proto je možné používat v programu funkce pro ovládání FTDI [12]. Při ři spuštění spušt aplikace je odstartovánu vánu druhé vlákno, které na pozadí poza neustále čte data z FTDI. Tím kontroluje připojení p hardwaru k počítači. Příkazy říkazy jsou z počítačee do mikrokontroléru posílány po bajtech ve tvaru: UsbOut (byte kanál, byte směr sm pohybu, 2 x byte počet kroků, byte amplituda, ituda, byte frekvence). frekvence) Takto odeslaný řetězec zec je mikrokontrolérem zpracováván jako úloha, po jejíž splnění spln je zpět odeslán signál „ready“. V tomto případě p je očekáván další příkaz.

Obr. 7.2: Ovládací prostředí prost aplikace SLC-Control

43

8 Závěr Cílem práce bylo vyrobit ovládací zařízení pro mikroposuv, tak aby bylo možné ovládat jeho pohyb, tzn. rychlost posuvu, velikost kroku a směr. Nejobtížnější situací byl nedostatek informací k použitému typu mikroposuvu, které výrobce nedodává. V první části práce jsem se tedy zabýval zjišťováním reakcí mikroposuvu na přiložené signály. Výsledkem je poměrně podrobný popis průběhů ovládacích signálů uvedený v této práci. Díky tomu bylo možno začít řešit elektroniku, která by dokázala potřebné signály generovat. Zde jsem využíval informací o přechodném ději, který vzniká na sériovém spojení rezistoru a kapacitoru. Výsledné chování bylo stanoveno výpočtem a ověřeno simulací a realizací prototypu generátoru. Důležitým řešeným problémem byla i přesnost pohybu, která záleží do značné míry na přesnosti generovaných signálů. Proto jsem prováděl měření na konfokálním mikroskopu s velkým zvětšením. I tak ale nejsou postihnuty teoretické mezní hodnoty přesnosti mikroposuvu. Piezoelement vytvářející pohyb pracuje s vysokými napěťovými impulsy, proto bylo při návrhu zařízení v první řadě vyřešit jeho napájení. Byly porovnány vlastnosti dvou typů zdrojů. Lineárního a spínaného. Srovnání bylo zaměřeno především na využití ve vytvářeném zařízení. Díky použití vhodného typu zdroje se celé zařízení vejde do poměrně malé a lehké krabičky. Praktickým výsledkem práce je plně fungující přístroj s osazeným jedním kompletním koncovým kanálem pro ovládání mikroposuvu. V tomto ohledu zařízení plně vyhovuje požadavkům zadání, i co se týče přehledného ovládání pomocí ovládacích prvků a displeje přímo na přístroji, tak i pomocí USB propojení s počítačem. Hlavním úkolem počítačové aplikace je zajistit možnost ovládat mikroposuv náročnějším profilem pohybů a pohodlnější ovládání pozice jezdce mikroposuvu. Práce obsahuje řešení jak pro softwarové vybavení mikrokontroléru, tak i počítačové aplikace. Projekty jsou přiloženy na CD. Při závěrečném testování byla zjištěna malá nelinearita pohybu jezdce přes celý jeho rozsah. Podle osciloskopu je ovládací signál neměnný, a proto přisuzuji příčinu nerovnoměrného pohybu drobné mechanické závadě mikroposuvu. Důvodem této domněnky je i fakt, že z opakovaných testů byla zřejmá změna rychlosti pohybu vznikající vždy ve stejných dvou místech z celého rozsahu mikroposuvu. Z tohoto důvodu obsahuje práce teoretický rozbor a návrh řešení, jak zpětně kontrolovat velikost kroku a tím v podstatě zlepšit přesnost pohybu a zmenšit celkovou chybu nelinearity. Originální ovládací systémy pro tento typ mikroposuvu a mnoho jiných dodává přímo výrobce. Přínosem této práce je hotová alternativa k originálnímu ovladači a snížení finančních nákladů na jeho pořízení. Díky použití běžně dostupných, levných součástek, které jsou většinou skladem k dispozici v maloobchodních prodejnách, bylo dosaženo jednoduchého a levného zařízení, schopného bezpečně ovládat zadaný typ mikroposuvu.

44

9 Seznam použitých zdrojů [1]

DOLEČEK, J. Moderní učebnice elektroniky – 4.díl Praha: BEN – Technická literatura 2006. 296 stran. ISBN 80-7300-185-3

[2]

DOSTÁL, T. Teorie obvodů Brno: Vysoké učení technické v Brně, 2006. 177 stran.

[3]

JIRÁK, J., AUTRATA, R., LIEDERMANN, K., ROZSÍVALOVÁ, Z., SEDLAŘÍKOVÁ, M. Materiály a technická dokumentace Brno: Vysoké učení technické v Brně

[4]

KOLOUCH, J. Programovatelné logické obvody Brno: Vysoké učení technické v Brně, 2009. 150 stran.

[5]

KREJČIŘÍK, A. Spínané napájecí zdroje s obvody TOPSwitch Praha: BEN – Technická literatura 2002. 400 stran. ISBN 80-7300-031-8

[6]

MATOUŠEK, D. USB prakticky s obvody FTDI -1.díl. Praha: BEN – Technická literatura 2003. 270 stran. ISBN 80-7300-103-9

[7]

TUČEK, J. Nanopavouk přede unikátní textilie. Článek na www.aktualne.centrum.cz. [cit. 4. května 2009] Dostupné na WWW: http://aktualne.centrum.cz/veda/clanek. phtml?id=397775

[8]

VÁŇA, V. Mikrokontroléry Atmel AVR programování v jazyce C. Praha: BEN – Technická literatura 2003. 205 stran. ISBN 80-7300-102-0

[9]

VLČEK, J. Automatizace 4 [online] [cit. 12. května 2010] Dostupné na WWW: http://www.tzb-info.cz

[10] Electronic Assembly, Katalogový list El-Inverter [online] [cit. 6. května 2010] Dostupné na WWW: http://www.lcd-module.de/pdf/zubehoer/el-inverter.pdf [11] Electronic Assembly, Katalogový list LCD displeje EA W128-6X8/-6X9 [online] [cit. 6. května 2010] Dostupné na WWW: www.lcd.elementy.pl/pdf/grafik/w1286xx.pdf [12] FTDI Chip WWW prezentace společnosti [online] [cit. 28. dubna 2010] Dostupné na WWW: http://www.ftdichip.com [13] HW Server LPT ISP Prog [online] [cit. 12. května 2010] Dostupné na WWW: http://hw.cz/constrc/lpt_isp_prog [14] Katalogový list. Katalogový list k spínanému zdroji TNY268PN. [online]. [cit. 20. března 2010] Dostupné na WWW: http://www.ges.cz [15] Katalogový list. Katalogový list tranzistorů MPSA 42, MPSA 92, IRL640, IRF9530. [online]. [cit. 10. května 2010] Dostupné na WWW: http://www.gme.cz 45

[16] Katalogový list, Katalogový list k mikrokontroléru AVR ATMEGA16. [online]. [cit. 11. prosince 2008] Dostupné na WWW: http://www.atmel.com [17] Katalog součástek GES-Electronics [online] [cit. 28. dubna 2010] Dostupné na WWW: http://www.ges.cz [18] Katalog součástek GM Electronic [online] [cit. 3. května 2010] Dostupné na WWW: http://www.gme.cz [19] Katalog součástek TME Electronic Components [online] [cit. 16. února 2010] Dostupné na WWW: http://www.tme.cz [20] Power Integrations, Inc. WWW prezentace společnosti [online] [cit. 6. května 2010] Dostupné na WWW: http://www.powerint.com [21] SLC-Positioner, User Manual, Dokumentace dostupná k zařízení SLC-Positioner od společnosti SmarAct GmbH [22] SmarAct Gmbh, Positioners, Control Systems [online] [cit. 12. prosince 2008] Dostupné na WWW: www.smaract.de [23] Učební texty ZČU, Základní konfigurace síťových impulsních zdrojů [online] [cit. 6. května 2010] Dostupné na WWW: http://stag.zcu.cz/fel/kae/enz/Texty_folie/Texty/Konf_sit_imp_zdroju.pdf [24] UsbAsp USB programmer for Atmel AVR controllers [online] [cit. 12. května 2010] Dostupné na WWW: http://www.fischl.de/usbasp [25] Učební texty VUT Brno, Optoelektronika Kapitola 6 [online] [cit. 12. května 2010] Dostupné na WWW: http://www.umel.feec.vutbr.cz/oks/cz/pdf/skripta_kap_6.pdf

46

10 Seznam použitých zkratek A/D

Analog to digital converter (Analogově číslicový převodník)

D/A

Digital to analog converter (Číslicově analogový převodník)

DPS

Deska plošných spojů

EMI

Electromagnetic Interference Filter (Odrušovací filtr)

HV

High Voltage (Vysoké napětí)

I2C

Inter Integrated Circuit (Multi-masterová sériová sběrnice)

ISP

In System Programming (Druh programování mikrokontroléru)

JTAG

Joint Test Action Group (Standartizované rozhraní)

LCD

Liquid crystal display (Displej z tekutých krystalů)

MOS MOSFET

Metal Oxide Semiconductor (Struktura založená na použití kovu, izolantu a polovodiče) Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (Polem řízený tranzistor)

PLD

Programmable Logic Device (Programovatelné logocké obvody)

PWM

Pulse Width Modulation (Pulsně šíčková modulace)

TTL

Transistor-Transistor Logic (Tranzistorově tranzistorová logika)

USB

Universal Seriál Bus (Universální sériová sběrnice)

UART

Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (Universální sériové rozhraní)

47

11 Seznam příloh Příloha A: Schéma Příloha B: Seznam součástek Příloha C: Výroba a osazení DPS Příloha D: Návod k obsluze zařízení Příloha E: Návod k obsluze počítačové aplikace

48

Obr. 2: Deska pro LCD

Obr 1: Zdroj

Obr. 3: Schéma, propojení LCD

Příloha A: Schéma

Obr. 4: 3 kanály koncového stupně "A"

Obr. 5: 3 kanály koncového stupně "B"

Obr. 6: Mikrokontrolér

Obr. 7: Převodník FTDI

Obr. 8: Pomocný zdroj

Příloha B: Hlavní deska: AC AK300/2 B1 DBLS201G C1 100n C2 10u/200V C3 4,7n C4 10n C5 100u/16V C6 10u C7 10p C8 10u/16V C9 100u/16V C10 100n C11 100n C12 27p C13 27p C14 10n C15 100n C16 100n C17 220n C18 100n D1 BZX85 D2 BAT42 D3 1N4937 D4 BAT42 D5 18V D9 BZX85 D10 DIODE-MINIMELF D11 18V D12 18V DISP MPT7 F1 SH22,5A IC1 DIL8 IC2 MEGA16-A IC3 FT232RL IC4 7805DT ISP/KEYS MPT6 L1 10uH L2 10uH L3 MFE OK1 PC817 Q1 16MHz Q2 IRF9530 Q3 IRF9530 Q4 IRF9530 Q5 IRL640 Q6 IRL640 Q7 IRL640 R1 1k R2 150k R3 1meg R4 640k R5 10k R6 22k R7 10k R8 10k R9 2k2 R10 10k R11 10k R12 10k R13 10k R14 10k R15 10k

Seznam součástek AK300/2 DBLS201G C-EU025-024X044 CPOL-EUE5-10.5 C-EU075-032X103 C-EU075-032X103 CPOL-EUE5-10.5 CPOL-EUE5-10.5 C075-032X103 CPOL-EUE2.5-7 CPOL-EUE5-10.5 C-EU075-032X103 C-EUC1206 C-EUC1206 C-EUC1206 C-EUC1206 C-EUC1206 C-EUC1206 C-EU075-063X106 C-EUC1206 BZX85 BAT42 1N4933 BAT42 ZENER-DIODESOD80C BZX85 MINIMELF ZENER-DIODESOD80C ZENER-DIODESOD80C 7POL254 SH22,5A DIL08 MEGA16-A FT232RL 7805DT 6POL254 L-EU0207/12 L-EU0207/12 MFE PC817 XTAL/S IRF9530 IRF9530 IRF9530 IRF540 IRF540 IRF540 R-EU_0207/10 R-EU_0617/17 R-EU_0207/10 R-EU_R1206 R-EU_R1206 R-EU_R1206 R-EU_R1206 R-EU_R1206 R-EU_R1206 R-EU_R1206 R-EU_R1206 R-EU_R1206 R-EU_R1206 R-EU_R1206 R-EU_R1206

R16 R17 R18 R19 R20 R21 R25 R26 R27 R28 R29 R30 R31 R32 R33 R37 R38 R39 R40 R41 R42 R43 R44 R45 R48 R49 R50 R52 R54 R55 R56 R57 T1 T2 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 T14 T15 T16 T17 T18 TH TR

22k 22k 22k 1k 1k 1k 2k2 2k2 2k2 2k2 2k2 2k2 1k 1k 1k 5k6 5k6 5k6 2k2 2k2 2k2 2k2 2k2 2k2 27k R-EU_R1206 R-EU_R1206 330 2k2 150 R-EU_R1206 R-EU_R1206 MPSA42 MPSA92 MPSA42 MPSA42 MPSA42 MPSA92 MPSA92 MPSA92 MPSA42 MPSA42 MPSA42 MPSA42 MPSA42 MPSA42 MPSA42

Deska pro LCD: LCD MPT7 R1 10k R2 10k R3 10k R4 10k R5 22k R6 22k R7 22k R8 22k R9 10k R10 22k

R-EU_R1206 R-EU_R1206 R-EU_R1206 R-EU_R1206 R-EU_R1206 R-EU_R1206 R-EU_R1206 R-EU_R1206 R-EU_R1206 R-EU_R1206 R-EU_R1206 R-EU_R1206 R-EU_R1206 R-EU_R1206 R-EU_R1206 R-EU_R1206 R-EU_R1206 R-EU_R1206 R-EU_R1206 R-EU_R1206 R-EU_R1206 R-EU_R1206 R-EU_R1206 R-EU_R1206 R-EU_R1206 R1206 R1206 R-EU_R1206 R-EU_R1206 R-EU_R1206 R1206 R1206 BC808-NPN-SOT23-BEC BC807-16-PNP-SOT23-BEC BC808-NPN-SOT23-BEC BC808-NPN-SOT23-BEC BC808-NPN-SOT23-BEC BC807-16-PNP-SOT23-BEC BC807-16-PNP-SOT23-BEC BC807-16-PNP-SOT23-BEC BC808-NPN-SOT23-BEC BC808-NPN-SOT23-BEC BC808-NPN-SOT23-BEC BC808-NPN-SOT23-BEC BC808-NPN-SOT23-BEC BC808-NPN-SOT23-BEC BC808-NPN-SOT23-BEC THERMISTOR EA-77-250

7POL254 R-EU_R1206 R-EU_R1206 R-EU_R1206 R-EU_R1206 R-EU_R1206 R-EU_R1206 R-EU_R1206 R-EU_R1206 R-EU_R1206 R-EU_R1206

Příloha C:

Výroba a osazení DPS

Obr. 9: Hlavní deska, vodivé cesty, strana TOP

Obr. 10: Hlavní deska, vodivé cesty, strana BOTTOM

Obr. 11: Hlavní deska, osazení součástek, strana TOP

Obr. 12: Hlavní deska, osazení součástek, strana BOTTOM

Příloha D:

počítadlo kroků v rozsahu -32768 - 32767

Návod k obsluze zařízení

MOVE: UP DOWN Wdth: 800n Freq: 1000Hz CH1

ukazatel vzdálenosti /polohy

Step 0 Dist -

step move subn freq wdth rset chnl usbc

hlavní informační okno

hlavní menu

Obr. 13: Popis údajů zobrazovaných na displeji

MENU:

Po spuštění, nebo pokud je v hlavním informačním okně zobrazen nápis „MENU>“ vybereme pomocí otočného ovladače položku ze sloupce v pravé části displeje podle požadované funkce.

STEP:

Pohyb otočného ovladače je převáděn na jednotlivé kroky mikroposuvu v odpovídajícím směru. Šířku kroku je možné nastavit pomocí tlačítka AMPLITUDE + pohyb otočného ovladače.

MOVE:

Otočným ovladačem je zahájen pohyb mikroposuvu v odpovídajícím směru. Pohyb zastavíme dalším otočením. Šířku kroku je možné nastavit pomocí tlačítka AMPLITUDE + pohyb otočného ovladače. Frekvenci nastavíme pouze v přes MENU.

SUBN:

Jemná výchylka mikroposuvu. V hlavním informačním okně je zobrazeno výstupní stejnosměrné napětí, které volíme pomocí otočného ovladače. Rozmezí 0 – 100 V odpovídá výchylce zhruba 0 – 1 µm.

FREQ:

Zde nastavujeme frekvenci otočným ovladačem v rozmezí 100 – 3000 Hz s krokem 100 Hz.

WDTH:

Zde nastavujeme šířku jednoho kroku otočným ovladačem v rozmezí 100 – 800 nm. Šířka kroku je v tomto případě jen orientační. Bez zpětného měření nelze přesně definovat.

RSET:

Provede se reset počítadla kroků.

CHNL:

Volba aktuálně ovládaného kanálu.

USBC:

Při zvolení této položky je kontrola mikroposuvu řízena počítačovou aplikací. Bez volby USBC se počítačová aplikace nemůže připojit k zařízení.

Příloha E:

Návod k obsluze počítačové aplikace

záložky pro volbu pohybové úlohy

informace o připojeném zařízení

stavový panel

ukazatel kroků

vynulování počítadla kroků

Obr. 14: Popis okna počítačové aplikace

Stavový panel: Unconnected:

Zařízení není připojeno, není zapnuté napájení, nebo není nastavená položka USBC v menu přístroje.

Connected:

Zařízení správně komunikuje s počítačem.

Ready:

Zařízení je připraveno na příjem a zpracování povelů.

Busy:

Zařízení vykonává zadanou úlohu.

Záložky: Move:

Pomocí posuvných ukazatelů nastavíme parametry pro pohyb. Mikroposuv se uvede do pohybu stisknutím jedním z tlačítek „Move Down“, nebo „Move Up“. Zastavení se provede tlačítkem „Stop“.

Step:

Pomocí posuvného ukazatele nastavíme parametry pro pohyb. Mikroposuv vykoná jeden krok stiskem příslušného tlačítka.

Catch:

Pohyb jezdce mikroposuvu je závislý na poloze ukazatelů. „Coarse“ pro hrubé nastavení a „Fine“ pro jemné nastavení polohy. Šířka kroku je zde pevná ~800 nm. Tlačítko „Reset Position“ použijeme v případě kalibrace středové polohy mikroposuvu. Tlačítkem „Center“ se vrátí ukazatele i mikroposuv do původní polohy.

DC:

Zatržením volby „Add DC voltage“ uvedeme zařízení do režimu generování stejnosměrné složky napětí na výstupu. Tím je možno nastavovat nejjemnější pohyb mikroposuvu. Rozmezí 0 – 100 V odpovídá výchylce zhruba 0 – 1 µm.

Sequence:

Slouží pro definici několika pohybových úloh. New: Vymaže veškeré údaje a připraví tabulku pro nové použití. Load: Nahrátí již uložené tabulky ze souboru „csv“. Save: Uložení vytvořené tabulky do souboru. Run: Spustí se pohybové úlohy podle řádků tabulky. Loop: Po dokončení posledního řádku se úlohy opakují od začátku. Pause: Pozastavení pohybu. Stop: Zastavení pohybu. Add Line: Přidá řádek do tabulky. Remove Line: Odebere poslední řádek tabulky.